一种氧化石墨烯纤维及其制备方法和应用

摘要

本发明涉及一种氧化石墨烯纤维及其制备方法和应用，属于功能材料领域。所述制备方法为：通过Hummers法制备得到氧化石墨烯溶液，后进行水分蒸发浓缩，使用注射器将浓缩后的氧化石墨烯溶液注入到饱和氯化钾甲醇溶液中得到湿的氧化石墨烯水凝胶纤维，旋转加工后自然晾干，即得到所述氧化石墨烯纤维。在周围环境湿度变化条件下，所述纤维应用在发电机中，将环境中的湿度变化产生的能量转化为电能，发电机的开路电压为0.5～1mV，短路电流为20～40μA。本发明所述纤维质量高、性质稳定、转动性能优异，所述方法成本低廉、可大批量生产；所述纤维应用在发电机中，能量来源绿色环保、无污染。

权利要求

1.一种氧化石墨烯纤维，其特征在于，所述纤维表面呈紧密排布螺纹状，内部呈现石墨烯层状堆叠结构，每米为1000～5000转，所述纤维直径为66～126μm。

2.一种如权利要求1所述的氧化石墨烯纤维的制备方法，其特征在于，所述方法步骤如下：第一步：利用高锰酸钾氧化剥离石墨法制备得到浓度为2～10mg/mL氧化石墨烯溶液；

其中，所述高锰酸钾氧化剥离石墨法具体为：将石墨粉、浓硫酸、硝酸钠混合，在冰浴、搅拌条件下，加入高锰酸钾，搅拌，升温至35℃，继续搅拌半小时后，加入去离子水，温度调至90℃，搅拌15分钟，再加入去离子水，继续搅拌，自然降温，加入过氧化氢，抽滤得到固体，洗涤离心，即得到所述氧化石墨烯溶液；

第二步：将2～10mg/mL氧化石墨烯溶液在30～35℃的温度下搅拌进行水分蒸发浓缩，使氧化石墨烯溶液的浓度浓缩为15～20mg/mL；

第三步：将15～20mg/mL的浓缩氧化石墨烯溶液灌入注射器，注射器针头内径范围为

0.21～0.34mm；

第四步：用第三步的注射器将其中的浓缩氧化石墨烯通过针头连续匀速注入饱和氯化钾甲醇溶液中；在饱和氯化钾甲醇溶液中得到湿的氧化石墨烯水凝胶纤维，直径为0.21～

0.34mm；

第五步：将第四步所得氧化石墨烯水凝胶纤维，从饱和氯化钾甲醇溶液中取出，将一端固定，另外一端固定在电机上；启动电机对氧化石墨烯水凝胶纤维进行旋转加工，每米氧化石墨烯纤维加工1000～5000转，加工停止后使所述纤维自然晾干；最终得到经过旋转加工的氧化石墨烯纤维，晾干后直径为66～126μm。

3.一种如权利要求1所述的氧化石墨烯纤维的应用，其特征在于，控制所述纤维周围湿度从20%变化到85%，所述纤维自发高速旋转，最高转速为578～5190转每分钟，所述纤维伸长2.3%～4.7%；控制所述纤维周围湿度从85%变化回到20%时，所述纤维高速回转，最高转速为578～5190转每分钟，长度变回原来的长度；

所述纤维应用在发电机中，所述发电机有磁铁和铜线圈组成，发电机的开路电压为

0.5～1mV，短路电流为20～40μA。

说明书

一种氧化石墨烯纤维及其制备方法和应用

技术领域

[0001] 本发明涉及一种氧化石墨烯纤维及其制备方法和应用，所述氧化石墨烯纤维在外界湿度变化下，自发高速旋转，将环境中的湿度变化产生的能量转化为电能，应用在发电机中，属于功能材料领域。

背景技术

[0002] 石墨烯是由一层碳原子组成的二维材料。单层石墨烯具有很高的电子迁移率，大的表面积，良好的机械强度和导热性能，常被用于新型性能优异的场效应晶体管，微处理以及分子探测器件等方面的研究。而将石墨烯进行组装成宏观的膜状、块状材料，以期其能发挥出优于普通膜状、块状材料的性能，这方面的研究备受国内外研究者的关注。目前，大批量制备石墨烯膜状、块状材料的方法已经相对成熟稳定，这些膜状、块装材料已经应用在超级电容器、锂离子电池、能源催化等领域。相对于膜状、块状材料，纤维状材料作为一种可编织可穿戴的材料，已经被研究可以用来制作纤维状电容器、锂离子电池、燃料敏化电池。

[0003] 石墨烯纤维是一种全新的由二维纳米材料组装的碳纤维。由于其内部石墨烯片层高度有序的排布，使其具有很好的电学、力学性能，并且非常容易对其进行原位功能化。从2012年首次制备出石墨烯纤维以来，对其的研究已经成为石墨烯组装材料研究的热点之一，并且已经成功将其应用到了可折叠可编织的纤维电容器的制备。但对于石墨烯纤维驱动性质的研究仍然处于初级阶段，目前利用激光加工，已经成功制备出了在外界湿度变化的条件下，能够像肌肉一样自发的可逆的弯曲、弯折的石墨烯纤维，将其放置在特定的空间里，它还可以像虫子一样向前爬行。

[0004] 氧化石墨烯是富含含氧官能团的功能化石墨烯，氧化石墨烯跟石墨烯具有类似的性质，同样具有大比表面积、良好的机械、力学和电学性能。对氧化石墨烯纤维的制备方法及其驱动性能的研究，仍鲜有报道。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于提供一种氧化石墨烯纤维及其制备方法和应用，所述纤维在周围环境湿度变化下，自发高速旋转，所述方法简单，成本低廉，可应用在发电机上。

[0006] 本发明的目的由以下技术方案实现：

[0007] 一种氧化石墨烯纤维，所述纤维表面呈紧密排布螺纹状，内部呈现石墨烯层状堆叠结构，表面螺纹状结构密度可调控，每米为1000～5000转，所述纤维直径为66～126μm。

[0008] 一种本发明所述的氧化石墨烯纤维的制备方法，所述方法步骤如下：

[0009] 第一步：利用高锰酸钾氧化剥离石墨法（Hummers法）制备得到浓度为2～10mg/mL氧化石墨烯溶液；

[0010] 其中，所述Hummers法具体为：石墨粉、浓硫酸、硝酸钠，在冰浴、搅拌条件下，加入高锰酸钾，搅拌，升温至35℃，继续搅拌半小时后，加入去离子水，温度调至90℃，搅拌15分钟，再加入去离子水，继续搅拌，自然降温，加入过氧化氢，抽滤得到固体，洗涤离心，即得到所述氧化石墨烯溶液；

[0011] 第二步：将2～10mg/mL氧化石墨烯溶液在30～35℃的温度下搅拌进行水分蒸发浓缩，使氧化石墨烯溶液的浓度浓缩为15～20mg/mL；

[0012] 第三步：将15～20mg/mL的浓缩氧化石墨烯溶液灌入注射器，注射器针头内径范围为0.21～0.34mm；

[0013] 第四步：用第三步的注射器将其中的浓缩氧化石墨烯通过针头连续匀速注入饱和氯化钾甲醇溶液中。在饱和氯化钾甲醇溶液中得到湿的氧化石墨烯水凝胶纤维，直径为0.21～0.34mm；

[0014] 第五步：将第四步所得氧化石墨烯水凝胶纤维，从饱和氯化钾甲醇溶液中取出，将一端固定，另外一端固定在电机上；启动电机对氧化石墨烯水凝胶纤维进行旋转加工，每米氧化石墨烯纤维加工1000～5000转，加工停止后使所述纤维自然晾干；最终得到经过旋转加工的氧化石墨烯纤维，晾干后直径为66～126μm。

[0015] 一种本发明所述的氧化石墨烯纤维的应用：控制所述纤维周围湿度从20%变化到85%，所述纤维自发高速旋转，最高转速为578～5190转每分钟，所述纤维伸长2.3%～4.7%；控制所述纤维周围湿度从85%变化回到20%时，所述纤维高速回转，最高转速为
578～5190转每分钟，长度变回原来的长度；

[0016] 所述纤维应用在发电机中，所述发电机有磁铁和铜线圈组成，发电机的开路电压为0.5～1mV，短路电流为20～40μA。

[0017] 有益效果

[0018] （1）本发明使用一种简单的易于操作的方法制备出全新结构的，可以自发高速旋转的氧化石墨烯纤维。所述纤维质量高、性质稳定、转动性能优异，是利用周围环境湿度变化为能量来源进行自发高速转动的氧化石墨烯纤维；

[0019] （2）本发明利用的原材料，来源广泛，合成技术成熟，质量高，成本低，可以大批量生产；

[0020] （3）本发明所述方法得到的表面螺旋状石墨烯纤维，在外界湿度变化条件下可以自发高速旋转，并且伴随有纤维的自动伸长和收缩，是一种很好的可以以湿气为能源运动的驱动材料。能量来源绿色环保，成本低无污染；

[0021] （4）本发明所述得到的氧化石墨烯纤维，可以在周围湿度变化情况下，带动铜线圈内部的磁铁转动，在铜线圈内产生电流，从而将周围的湿度变化能量转化为电能，是一种新型的以湿度变化为能源的发电机。

附图说明

[0022] 图1为实施例1中得到的具有螺旋结构的氧化石墨烯纤维；

[0023] 图2为实施例1中得到的具有螺旋结构的氧化石墨烯纤维的表面扫描电子显微镜图；

[0024] 图3为实施例1中得到的可以高速旋转的纤维速度测试结构；

[0025] 图4为实施例1中得到的可以旋转的纤维的最高转速测试500次后的结果；

[0026] 图5为实施例1中得到的发电机的照片；

[0027] 图6为实施例1中得到的可以旋转的石墨烯纤维组成的电机开路电压测试结果；

[0028] 图7为实施例1中得到的可以旋转的石墨烯纤维组成的电机短路电流测试结果。

具体实施方式

[0029] 下面结合附图和具体实施例来详述本发明，但不限于此。

[0030] Hummers法制备氧化石墨烯溶液的过程：取6g石墨粉,将160mL的质量浓度为98%的浓硫酸，3g硝酸钠混合，在冰浴、搅拌条件下，加入18g高锰酸钾，搅拌半小时，升温之35℃，继续搅拌半小时后，加入300mL的去离子水，温度调至90℃，搅拌15分钟，再加入
1000mL的去离子水，继续搅拌，温度调至常温，加入40mL的过氧化氢，然后抽滤得到固体，加入200～800mL水后再离心洗涤，即可得到2～10mg/mL的氧化石墨烯溶液。

[0031] 实施例1

[0032] 1.利用氧化剥离石墨法（Hummers法）制备得到6mg/mL氧化石墨烯溶液；

[0033] 2.将6mg/mL氧化石墨烯溶液在30～35℃的温度下浓缩，使氧化石墨烯溶液的浓度为15mg/mL；

[0034] 3.将15mg/mL的氧化石墨烯溶液灌入注射器内，注射器针头内径为0.21mm。

[0035] 4.使用上述装有15mg/mL氧化石墨烯溶液的注射器将氧化石墨烯溶液通过内径为0.21mm的注射器连续匀速注入饱和氯化钾甲醇溶液中，得到连续的线状的氧化石墨烯凝胶纤维。

[0036] 5.取氧化石墨烯凝胶纤维，固定一端，另一端使用电机对其进行旋转加工，每米氧化石墨烯纤维加工5000转，加工完成后对该纤维进行自然晾干，对所得产品进行表征分析，结合扫面电子显微镜测试可知其表面为紧密排布的螺旋状结构（图1），放大后结果为表面石墨烯片层沿着一定的方向有序的排列的结构（图2），该纤维直径为66μm。

[0037] 6.在所述纤维一端悬挂一块反光带（长*宽为10mm*2mm，图3），在周围湿度变化（20%至85%）时使用红外转速仪对其转动速度进行测量，测得其最大转速为5190转每分钟，同时该纤维长度伸缩量为4.7%.并且重复500次后转速保持不变（图4）。

[0038] 7.在所述纤维一端悬挂一块磁铁，将带有所述纤维的磁铁其放置于有四个铜线圈组成的闭合回路中，组装成一个发电机（图5）。在外界湿度变化下，所述纤维自发转动，从而带动磁铁转动，在铜线圈中产生电流，将环境中的湿度变化产生的能量变化为电能。使用CHI660D电化学工作站测试得到其开路电压为1.0mV（图6），短路电流为40μA（图7）。

[0039] 实施例2

[0040] 1.利用氧化剥离石墨法（Hummers法）制备得到2mg/mL氧化石墨烯溶液；

[0041] 2.将2mg/mL氧化石墨烯溶液在30～35℃的温度下浓缩，使氧化石墨烯溶液的浓度为15mg/mL；

[0042] 3.将15mg/mL的氧化石墨烯溶液灌入注射器内，注射器针头内径为0.21mm。

[0043] 4.使用上述装有15mg/mL氧化石墨烯溶液的注射器将氧化石墨烯溶液通过内径为0.21mm的注射器连续匀速注入饱和氯化钾甲醇溶液中，得到连续的线状的氧化石墨烯凝胶纤维。

[0044] 5.取氧化石墨烯凝胶纤维，固定一端，另一端使用电机对其进行旋转加工，每米氧化石墨烯纤维加工1000转。加工完成后对该纤维进行自然晾干，对所得产品进行表征分析，这些纤维直径在66μm。

[0045] 6.在所述纤维一端悬挂一块反光带（长*宽为10mm*2mm），在周围湿度变化（20%～85%）时使用红外测速仪对其转动速度进行测量，测得其最大转速为分别为578转每分钟，同时该纤维长度伸缩量为2.3%。

[0046] 7.在所述纤维，一端悬挂一块磁铁，将其放置于有四个铜线圈组成的闭合回路中，组装成一个发电机。在外界湿度变化下所述纤维能带动磁铁转动，在线圈中产生电流，将环境中的湿度变化产生的能量变化为电能。使用CHI660D电化学工作站测试得到其开路电压为0.5mV，短路电流为20μA。

[0047] 实施例3

[0048] 1.利用氧化剥离石墨法（Hummers法）制备得到10mg/mL氧化石墨烯溶液；

[0049] 2.将10mg/mL氧化石墨烯溶液在30～35℃的温度下浓缩，使氧化石墨烯溶液的浓度为15mg/mL；

[0050] 3.将15mg/mL的氧化石墨烯溶液灌入注射器内，注射器针头内径为0.21mm。

[0051] 4.使用上述装有15mg/mL氧化石墨烯溶液的注射器将氧化石墨烯溶液通过内径为0.21mm的注射器连续匀速注入饱和氯化钾甲醇溶液中，得到连续的线状的氧化石墨烯凝胶纤维。

[0052] 5.取氧化石墨烯凝胶纤维，固定一端，另一端使用电机对其进行旋转加工，每米氧化石墨烯纤维加工2000转。加工完成后对该纤维进行自然晾干，对所得产品进行表征分析，这些纤维直径在66μm。

[0053] 6.在所述纤维一端悬挂一块反光带（长*宽为10mm*2mm），在周围湿度变化（20%～85%）时使用红外测速仪对其转动速度进行测量，测得其最大转速为分别为1179转每分钟，同时该纤维长度伸缩量为3.1%。

[0054] 7.在所述纤维一端悬挂一块磁铁，将其放置于有四个铜线圈组成的闭合回路中，组装成一个发电机。在外界湿度变化下所述纤维能带动磁铁转动，在线圈中产生电流，将环境中的湿度变化产生的能量变化为电能。使用CHI660D电化学工作站测试得到其开路电压为0.6mV，短路电流为24μA。

[0055] 实施例4

[0056] 1.利用氧化剥离石墨法（Hummers法）制备得到2mg/mL氧化石墨烯溶液；

[0057] 2.将2mg/mL氧化石墨烯溶液在30～35℃的温度下浓缩，使氧化石墨烯溶液的浓度为20mg/mL；

[0058] 3.将20mg/mL的氧化石墨烯溶液灌入注射器内，注射器针头内径为0.21mm。

[0059] 4.使用上述装有20mg/mL氧化石墨烯溶液的注射器将氧化石墨烯溶液通过内径为0.21mm的注射器连续匀速注入饱和氯化钾甲醇溶液中，得到连续的线状的氧化石墨烯凝胶纤维。

[0060] 5.取氧化石墨烯凝胶纤维，固定一端，另一端使用电机对其进行旋转加工，每米氧化石墨烯纤维加工3000转。加工完成后对该纤维进行自然晾干，对所得产品进行表征分析，这些纤维直径在66μm。

[0061] 6.在所述纤维一端悬挂一块反光带（长*宽为10mm*2mm），在周围湿度变化（20%～85%）时使用红外测速仪对其转动速度进行测量，测得其最大转速为分别为2499转每分钟，同时该纤维长度伸缩量为3.6%。

[0062] 7.在所述纤维一端悬挂一块磁铁，将其放置于有四个铜线圈组成的闭合回路中，组装成一个发电机。在外界湿度变化下该纤维能带动磁铁转动，在线圈中产生电流，将环境中的湿度变化产生的能量变化为电能。使用CHI660D电化学工作站测试得到其开路电压为0.7mV，短路电流为28μA。

[0063] 实施例5

[0064] 1.利用氧化剥离石墨法（Hummers法）制备得到2mg/mL氧化石墨烯溶液；

[0065] 2.将2mg/mL氧化石墨烯溶液在30～35℃的温度下浓缩，使氧化石墨烯溶液的浓度为20mg/mL；

[0066] 3.将20mg/mL的氧化石墨烯溶液灌入注射器内，注射器针头内径为0.21mm。

[0067] 4.使用上述装有20mg/mL氧化石墨烯溶液的注射器将氧化石墨烯溶液通过内径为0.21mm的注射器连续匀速注入饱和氯化钾甲醇溶液中，得到连续的线状的氧化石墨烯凝胶纤维。

[0068] 5.取氧化石墨烯凝胶纤维，固定一端，另一端使用电机对其进行旋转加工，每米氧化石墨烯纤维加工4000转。加工完成后对该纤维进行自然晾干，对所得产品进行表征分析，这些纤维直径在66μm。

[0069] 6.在所述纤维一端悬挂一块反光带（长*宽为10mm*2mm），在周围湿度变化（20%～85%）时使用红外测速仪对其转动速度进行测量，测得其最大转速为分别为3264转每分钟，同时该纤维长度伸缩量为4.0%。

[0070] 7.在所述纤维一端悬挂一块磁铁，将其放置于有四个铜线圈组成的闭合回路中，组装成一个发电机。在外界湿度变化下该纤维能带动磁铁转动，在线圈中产生电流，将环境中的湿度变化产生的能量变化为电能。使用CHI660D电化学工作站测试得到其开路电压为0.9mV，短路电流为36μA。

[0071] 实施例6

[0072] 1.利用氧化剥离石墨法（Hummers法）制备得到10mg/mL氧化石墨烯溶液；

[0073] 2.将10mg/mL氧化石墨烯溶液在30～35℃的温度下浓缩，使氧化石墨烯溶液的浓度为18mg/mL；

[0074] 3.将18mg/mL的氧化石墨烯溶液灌入5毫升注射器内，注射器针头内径为0.26mm。

[0075] 4.使用上述装有18mg/mL氧化石墨烯溶液的注射器将氧化石墨烯溶液通过内径为0.26mm的注射器针头连续匀速注入饱和氯化钾甲醇溶液中，得到连续的线状的氧化石墨烯凝胶纤维。

[0076] 5.取氧化石墨烯凝胶纤维，固定一端，另一端使用电机对其进行旋转加工，每米氧化石墨烯纤维加工5000转。加工完成后对该纤维进行自然晾干，对所得产品进行表征分析，这些纤维直径分别为100μm。

[0077] 6.在所述纤维一端悬挂一块反光带（长*宽为10mm*2mm），在周围湿度变化（20%～85%）时使用红外测速仪对其转动速度进行测量，测得其最大转速为分别为3123转每分钟。

[0078] 7.取所述纤维一端悬挂一块磁铁，将其放置于有四个铜线圈组成的闭合回路中，组装成一个发电机。在外界湿度变化下该纤维能带动磁铁转动，在线圈中产生电流，将环境中的湿度变化产生的能量变化为电能。使用CHI660D电化学工作站测试得到其开路电压为0.8mV，短路电流为32μA。

[0079] 实施例7

[0080] 1.利用氧化剥离石墨法（Hummers法）制备得到10mg/mL氧化石墨烯溶液；

[0081] 2.将10mg/mL氧化石墨烯溶液在30～35℃的温度下浓缩，使氧化石墨烯溶液的浓度为18mg/mL；

[0082] 3.将18mg/mL的氧化石墨烯溶液灌入5毫升注射器内，注射器针头内径为0.34mm。

[0083] 4.使用上述装有18mg/mL氧化石墨烯溶液的注射器将氧化石墨烯溶液通过内径为0.34mm的注射器针头连续匀速注入饱和氯化钾甲醇溶液中，得到连续的线状的氧化石墨烯凝胶纤维。

[0084] 5.取氧化石墨烯凝胶纤维，固定一端，另一端使用电机对其进行旋转加工，每米氧化石墨烯纤维加工5000转。加工完成后对该纤维进行自然晾干，对所得产品进行表征分析，这些纤维直径分别为126μm。

[0085] 6.在所述纤维一端悬挂一块反光带（长*宽为10mm*2mm），在周围湿度变化（20%～85%）时使用红外测速仪对其转动速度进行测量，测得其最大转速为分别为1310转每分钟。

[0086] 7.在所述纤维一端悬挂一块磁铁，将其放置于有四个铜线圈组成的闭合回路中，组装成一个发电机。在外界湿度变化下该纤维能带动磁铁转动，在线圈中产生电流，将环境中的湿度变化产生的能量变化为电能。使用CHI660D电化学工作站测试得到其开路电压为0.6mV，短路电流为24μA。

[0087] 本发明包括但不限于以上实施例，凡是在本发明精神的原则之下进行的任何等同替换或局部改进，都将视为在本发明的保护范围之内。